基于故障樹與電氣試驗(yàn)的變壓器可靠性分析

楊子騰 鄭小立 成 誠(chéng) 毛 弟

（1、國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011 2、寧夏中科恒瑞智能科技有限公司，寧夏 銀川 750011）

電力變壓器具有輸送大量電能的作用，屬于電子系統(tǒng)的關(guān)鍵輸變電設(shè)備，其運(yùn)行可靠性對(duì)系統(tǒng)安全具有直接影響。在電網(wǎng)飛速發(fā)展下，大容量變壓器數(shù)量不斷增加，受運(yùn)輸、安裝等多種因素影響很容易發(fā)生故障造成停電，為人們生產(chǎn)生活帶來諸多不便。對(duì)此，可將故障樹分析法引入其中，通過試驗(yàn)方式進(jìn)行電力變壓器故障診斷，由此提高變壓器可靠性，促進(jìn)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)健運(yùn)行。

1 故障樹分析法

1.1 故障樹建造

該法通過因果圖形的方式進(jìn)行分析，圍繞系統(tǒng)故障成因，由整體到局部、以樹枝的方式逐漸細(xì)化出來，通過探究薄弱環(huán)節(jié)與系統(tǒng)最優(yōu)化預(yù)測(cè)和診斷故障，十分安全可靠，在故障防范、控制與分析等方面效果顯著。故障樹建造作為分析法的核心所在，建造程度對(duì)定性、定量分析效果具有直接影響。在建造過程中，探尋系統(tǒng)故障與誘發(fā)故障因素間的邏輯關(guān)系，并依靠圖形符號(hào)的方式，將系統(tǒng)故障因素與傳遞間的邏輯關(guān)系充分體現(xiàn)出來。通過建造故障樹，可確定主要事件與其他事件間的關(guān)系，一般可分為并聯(lián)、串聯(lián)、混合三種類型。

1.2 故障樹評(píng)估

故障樹不但可對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定性分析，還適用于定量分析。前者的重心在于主事件的核心要素，后者的重心為主事件發(fā)生概率。在定性分析中，可采用最小割集法探尋系統(tǒng)的不足之處，并準(zhǔn)確找出影響可靠性的關(guān)鍵因素。一般情況下，依靠Fussel 算法計(jì)算最小割集，主要原理為故障樹增加割集數(shù)量與增加割集容量，由主事件開始，自上而下，逐漸將上一級(jí)事件轉(zhuǎn)移到下一級(jí)，如若出現(xiàn)與門則將輸入事件以并列形式寫出；如若出現(xiàn)或門則將事件以串聯(lián)形式寫出，直至將全部邏輯門均傳輸?shù)降资录?nèi)，最后一列代表全部割集，將割集簡(jiǎn)化后獲得最小割集，利用Fussell 算法求解。主事件發(fā)生概率可用公式表示為：

式中，N 代表的是最小割集數(shù)；MCSi 代表的是第i 個(gè)最小割集；P(MCSi)代表的是MCSi 的發(fā)生率；P(T)代表的是主事件發(fā)生概率[1]。

2 電力變壓器故障診斷試驗(yàn)

2.1 直流電阻試驗(yàn)

以某地66kV 興民變電站#1 主變?cè)囼?yàn)為例，變壓器等效電路如圖1 所示。S 為閉合開關(guān)，R 為電阻，L 為繞組電感，i 為通過繞組的直流電流。因有載分接開關(guān)內(nèi)部不良導(dǎo)致缺陷處產(chǎn)生不規(guī)則變化，對(duì)此，技術(shù)人員針對(duì)有載分接開關(guān)進(jìn)行拆分，發(fā)現(xiàn)觸位置出現(xiàn)明顯氧化跡象，對(duì)氧化膜處理后，發(fā)現(xiàn)互差明顯降低，之前異常位置也降低到規(guī)定值內(nèi)。

圖1 實(shí)驗(yàn)等效原理圖

據(jù)調(diào)查，該變壓器已經(jīng)運(yùn)行22 年，內(nèi)部零件破損老化，發(fā)生異常情況的檔位不經(jīng)常動(dòng)作，但長(zhǎng)期累計(jì)效應(yīng)影響，在觸頭位置已經(jīng)形成一定厚度的氧化層，如若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，在運(yùn)行期間如若恰好動(dòng)作到故障之處，在較大電阻影響下勢(shì)必導(dǎo)致觸頭發(fā)熱，受高溫影響有載分接開關(guān)的絕緣位置劣化，致使變壓器使用中發(fā)生故障，由此產(chǎn)生負(fù)荷損失。通過直流電阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行繞組直流電阻檢測(cè)，可準(zhǔn)確檢測(cè)出有載開關(guān)存在的缺陷問題，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合明確定位，以免導(dǎo)致缺陷擴(kuò)大，該儀器應(yīng)用原理如圖2 所示。

圖2 直流電阻測(cè)量?jī)x原理圖

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)

在變壓器狀態(tài)檢測(cè)中，該項(xiàng)試驗(yàn)可對(duì)設(shè)備絕緣整體受潮、套管內(nèi)部貫通情況進(jìn)行檢測(cè)。在交流電壓作用下，可將其等值劃分為一個(gè)RC 并聯(lián)回路，將電流分為兩個(gè)部分，一個(gè)是通過Cx的Ic，另一個(gè)是經(jīng)過電阻Rx 的IR，介質(zhì)損耗因素是流過電介質(zhì)中有功與無功電流分量構(gòu)成的正切值，可將變壓器油受污染、受潮情況真實(shí)的反映出來，原理如圖3 所示。

圖3 介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量原理圖

在實(shí)際應(yīng)用中，以66kV 榮華變電站#2 主變例行試驗(yàn)為例，發(fā)現(xiàn)該變壓器介質(zhì)損耗因數(shù)較大，且絕緣電阻值較低，對(duì)介質(zhì)損耗進(jìn)行測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)一次/二次地、二次/一次地、一次/地、二次/地的結(jié)果均為“不合格”。與前五年例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電容量沒有顯著改變，介質(zhì)損耗因數(shù)顯著提升，且大于注意值的0.8%，為不合格。因高壓試驗(yàn)結(jié)果不佳，為準(zhǔn)確找到缺陷位置，針對(duì)變壓器油的耐壓值、水含量等進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，油介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓值均與規(guī)定不符，結(jié)果為“不合格”，剩余項(xiàng)目為“合格”。因變壓器現(xiàn)已運(yùn)行22 年，上述故障主要因絕緣不良所致，對(duì)變壓器油進(jìn)行更換后，介質(zhì)損耗值恢復(fù)正常，如表1 所示[2]。

表1 變壓器油更換后介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)

2.3 油中溶解氣體試驗(yàn)

對(duì)于66kV 和220kV 變壓器來說，大多數(shù)采用油浸式變壓器，內(nèi)部利用油紙絕緣，并整體浸泡到變壓器油內(nèi)，變壓器油在與鐵芯、繞組接觸后會(huì)產(chǎn)生變化，影響散熱性、絕緣性的發(fā)揮。為檢測(cè)這一故障，可對(duì)油內(nèi)溶解氣體進(jìn)行試驗(yàn)，由此發(fā)覺設(shè)備內(nèi)部的潛在故障。在變壓器油中溶解氣體包括CH4、N2、C2H6、C3H6等氣體，其中氧氣與氮?dú)庠从诳諝馊芙猓珻02源于變壓器運(yùn)行中油紙等材料老化分解，還會(huì)產(chǎn)生一些氫氣與烴類氣體。因變壓器內(nèi)部有機(jī)物鍵較大，在常規(guī)情況下不會(huì)受損，但若設(shè)備過熱或者受雷電因素影響，很可能導(dǎo)致化學(xué)鍵受損，產(chǎn)生小分子烴類氣體、氫氣等，由此導(dǎo)致設(shè)備故障。

在電氣試驗(yàn)過程中，選用氣相色譜法對(duì)油內(nèi)溶解氣體進(jìn)行分析，此法具有高靈敏度、高效能、高精度等特征。在氣相色譜分析過程中，還應(yīng)通過復(fù)雜脫氣將油中的氣體分離出來，獲得平衡氣，再科學(xué)檢測(cè)分離后的氣體，標(biāo)定各類已知組分濃度，將平衡器灌入儀器內(nèi)分析組分，明確氣體內(nèi)各類組分的濃度。在實(shí)際檢修期間，不但要在實(shí)驗(yàn)室中定期分析油中溶解氣體，還可利用變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為各個(gè)220kV 變壓器準(zhǔn)備獨(dú)立的油氣分離、監(jiān)測(cè)裝置，可直接應(yīng)用到油循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，持續(xù)不斷的分析油內(nèi)溶解氣體，采集濃度趨勢(shì)圖、色譜圖等信息，再借助網(wǎng)絡(luò)將信息上報(bào)給終端。

3 故障樹基礎(chǔ)上變壓器可靠性評(píng)估

在變壓器可靠性評(píng)估期間，先要確定該設(shè)備的可靠性指標(biāo)，如失效率、可靠度、無故障時(shí)長(zhǎng)等等。其中，可靠度代表的是設(shè)備持續(xù)運(yùn)行后無故障概率，與故障概率互為余數(shù)；失效率是設(shè)備在特定時(shí)間內(nèi)的故障概率，即故障設(shè)備數(shù)量與非故障設(shè)備量的比值；平均無故障時(shí)長(zhǎng)與壽命相關(guān)，壽命不但是將設(shè)備投運(yùn)到故障發(fā)生時(shí)間的非負(fù)隨機(jī)變量，其數(shù)學(xué)期望即無故障時(shí)長(zhǎng)。假設(shè)壽命T 與指數(shù)分布相符，在創(chuàng)建故障樹模型后，可利用該模型獲得故障最小割集C＝ {A1,A2,A3 , …,E4,E5,E6}, 最小割集數(shù)量為27，假設(shè)概率值分別為P1＝P（A1）P27＝P（A27），主事件發(fā)生概率可表示為：

在明確底事件故障率的情況下，便可得出變壓器故障了，進(jìn)而明確該設(shè)備的可靠性。為準(zhǔn)確評(píng)估變壓器可靠性，對(duì)各個(gè)部件的關(guān)鍵性進(jìn)行分析。結(jié)合變電站對(duì)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)每年此類故障間隔時(shí)間得出失效率。通過計(jì)算可知，變壓器失效率均值為0.450394，可靠度為0.55。如若變壓器使用壽命為15年，則總失效率為0.04 次/臺(tái)/年；無故障運(yùn)行時(shí)間為25 年左右，超過這一時(shí)間后設(shè)備故障概率便會(huì)顯著增加，需要加大檢修力度。在對(duì)變壓器整體故障進(jìn)行研究后，還要對(duì)故障中間事件進(jìn)行分析，對(duì)失效概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)得以確定。同樣的道理，用公式（2）對(duì)中間事件故障率進(jìn)行計(jì)算，如表2 所示[3]。

表2 中間時(shí)間故障率分布

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，變壓器不同位置的失效率、無故障時(shí)間均值有所區(qū)別，這意味著設(shè)備內(nèi)各個(gè)部件與整體的關(guān)聯(lián)不同，產(chǎn)生的影響自然存在差異。失效率對(duì)整體運(yùn)行的影響程度由大到小分別為繞組、鐵芯、變壓器油、分接開關(guān)、附件。由此可見，變壓器繞組對(duì)其運(yùn)行可靠性產(chǎn)生的影響最大。對(duì)此，在變壓器檢修期間，應(yīng)有側(cè)重點(diǎn)的開展檢修工作，同時(shí)還要根據(jù)變壓器薄弱進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)，靈活調(diào)整電氣試驗(yàn)手段與檢修周期。例如，因繞組失效率為最高，無故障運(yùn)行時(shí)間為6.7 年，為提高變壓設(shè)備運(yùn)行可靠性，可將檢修周期定為6 年，利用頻響法進(jìn)行檢測(cè)。再如，附件故障的失效率最低，無故障運(yùn)行時(shí)間為12.36 年，可將檢修周期定位12 年，與繞組檢修相比延長(zhǎng)一倍。同樣的道理，可對(duì)變壓器其他部件確定相應(yīng)的檢修周期，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，提高運(yùn)行可靠性[4]。

4 結(jié)論

綜上所述，在變壓器日常檢修與診斷期間，根據(jù)設(shè)備故障情況創(chuàng)建故障樹模型，并與故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，對(duì)其可靠性進(jìn)行定量分析，尋找薄弱環(huán)節(jié)。在本文研究中，發(fā)現(xiàn)變壓器的薄弱之處為繞組與鐵芯，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整個(gè)變壓設(shè)備具有較大影響。對(duì)此，應(yīng)適當(dāng)縮短此類部件的檢修周期，優(yōu)化檢修方案，促進(jìn)檢修效率提升，使變壓器運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。